JPH0943537A - レーザビーム合成装置 - Google Patents

レーザビーム合成装置

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JPH0943537A
JPH0943537A JP21411795A JP21411795A JPH0943537A JP H0943537 A JPH0943537 A JP H0943537A JP 21411795 A JP21411795 A JP 21411795A JP 21411795 A JP21411795 A JP 21411795A JP H0943537 A JPH0943537 A JP H0943537A
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laser beam
laser
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conical
diameter
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Deingeru Benjiyamin
ディンゲル ベンジャミン
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NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 多数の半導体レーザ光源からのレーザビーム
を高効率にかつビーム集光性の劣化を起こすことなく合
成するレーザビーム合成装置を提供する。 【構成】 1つのレーザビーム14dをミラー13dで
反射させ、そのレーザビーム14dの周りに、このレー
ザビームと進行方向及び中心軸を共通とする複数の円環
状レーザビームをビーム径変換器12a〜12c及び開
口ミラー13a〜13cを用いて合成する。開口ミラー
13cはレーザビーム14dのビーム径と一致する開口
部を有し、開口ミラー13bはレーザビーム15cのビ
ーム径と一致する開口部を有し、開口ミラー13aはレ
ーザビーム15bと一致する開口径を有する。円環状レ
ーザビームは、1対の円錐ミラー201a及び202
a、あるいは円錐レンズ41、51によって生成するこ
ともできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数のレーザ光源
からのレーザ光を合成する方法及び装置に係り、特に固
体レーザ媒質を励起するための励起光の合成方法及び装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】高効率かつ高出力の固体レーザを実現す
る方法として、半導体レーザを励起光源として用いた固
体レーザ装置の研究開発が広く行われている。このよう
な固体レーザでは、励起光のパワー密度を増大させるこ
とで固体レーザ出力を増大させることができる。しか
し、半導体レーザは、現在、単体で10Wクラスが上限
であるために、100Wクラスの固体レーザを実現する
ためには、複数の励起用半導体レーザ光を効率よく合成
して固体レーザへ照射することが必要である。
【0003】レーザビーム合成法としては、コヒーレン
ト合成法と非コヒーレント合成法とがある。コヒーレン
ト合成法は、基本的には複数の励起ビームの位相を合わ
せるフェーズロック(phase locking)の
手法が適用される。非コヒーレント合成法には、偏光合
成、ファイババンドル合成、回折合成、空間合成の手法
がある。ファイババンドル合成法の適用例は、米国特許
第4,820,019号にD.R.Scifresによ
って開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コヒー
レント合成法では、高出力の半導体レーザを用いると熱
的な撹乱が大きいために、十分なレーザビーム合成効率
を得ることができない。
【0005】非コヒーレント合成法のうち偏光合成法は
高い効率が得られるものの、2本のビームしか合成でき
ないという難点がある。また、ファイババンドル合成法
は、構成が簡単でコンパクトであるが、合成効率が70
〜80%程度で十分に高いとはいえない。その上、合成
されたビームの指向性及びコヒーレンスは合成前のレー
ザビームに比べて劣化するため、固体レーザ励起時の集
光性が劣化するという問題がある。
【0006】このように、従来の技術では多数の半導体
レーザ光源からのレーザビームを高効率にかつビーム集
光性の劣化を起こすことなく合成することが困難であっ
た。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明によるレーザビー
ム合成装置は、第1レーザビームを一定方向に反射する
第1反射手段と、第1レーザビームを除く他のレーザビ
ームをレーザビーム毎に径が順次変化する円環状レーザ
ビームに変換するビーム変換手段と、径が小さい円環状
レーザビームが径の大きい円環状レーザビームによって
順次取り巻かれるように複数の円環状レーザビームを第
1レーザビームに順次合成するビーム合成手段と、から
なることを特徴とする。
【0008】また、第1レーザビームを除く他のレーザ
ビームをレーザビーム毎に径が順次変化するレーザビー
ムに変換するビーム径変換手段と、他のレーザビームの
各々に対応しレーザビーム毎に径が順次変化する開口部
をそれぞれ有する複数段のミラーと、を有し、各ミラー
の開口部は下段の合成レーザビームの径に一致し下段の
合成レーザビームの光軸と一致するようにミラーに対応
するレーザビームを円環状に反射して下段の合成レーザ
ビームと合成することにより、径が小さい円環状レーザ
ビームが径の大きい円環状レーザビームによって順次取
り巻かれるように複数の円環状レーザビームを第1レー
ザビームに順次合成する、ことを特徴とする。
【0009】複数のレーザ光源から、中心のレーザビー
ム及びその外側に順次径が大きくなる円環状レーザビー
ムを生成して合成することにより、複数の励起用レーザ
ビームを効率よく合成することができる。従って、合成
レーザビームを集光レンズを介して固体レーザ媒質に照
射することで、出力ダイナミックレンジを大きい大出力
の固体レーザ媒質を励起することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は、本発明によるレーザビー
ム合成装置の第1実施形態を示す概略的構成図である。
ただし、図面を煩雑にしないために、以下、4個の励起
用半導体レーザを用いた構成を一例として説明する。
【0011】レーザビーム合成装置1は、半導体レーザ
光源11a〜11dと、半導体レーザ光源11a〜11
cにそれぞれ対応して設けられたビーム径変換器12a
〜12cと、半導体レーザ光源11a〜11dにそれぞ
れ対応して設けられたミラー13a〜13dと、から構
成される。ミラー13a〜13cの各々には中央に円形
の開口部が形成されており、それら中央開口部の口径
は、後述するように、ミラー13a、13b及び13c
の順で小さくなるように形成されている。更に、ミラー
13a〜13dは、それぞれの中心軸を共通として互い
に平行に配置され、半導体レーザ光源11a〜11dか
らのレーザビームを同一中心軸に沿って円環状に合成す
る。
【0012】半導体レーザ光源11a〜11cから出力
されたレーザビーム14a〜14cは、それぞれビーム
径変換器12a〜12cによってビーム径が異なるレー
ザビーム15a〜15cに変換される。ビーム径は、レ
ーザビーム15a、15b、15cの順で小さくなる
が、それぞれ対応するミラー13a〜13cの中央開口
部の口径よりも大きく設定される。半導体レーザ光源1
1dから出力されたレーザビーム14dは、そのままミ
ラー13dでミラー13cの方向へ反射される。
【0013】ミラー13dで反射したレーザビーム14
dはミラー13cの中心開口部を通過し、レーザビーム
15cは中央開口部をのぞいてミラー13cによって反
射される。ミラー13cとミラー13dとは中心軸が共
通で平行配置されているから、レーザビーム15c及び
14dは空間的に分離された2つの円環状のビームとし
てミラー13cによって合成される。
【0014】同様に、ミラー13bにより反射されたレ
ーザビーム15bは、ミラー13bの中央開口部を通過
するレーザビーム14d及び15cの合成ビームと円環
状に合成される。更に、ミラー13aにより反射された
レーザビーム15aは、ミラー13aの中央開口部を通
るレーザビーム14d,15c及び15bの合成ビーム
と円環状に合成される。このようにして最終的に1本の
円柱状ビーム14dと3本の円環状ビームからなる合成
レーザビーム16が得られる。
【0015】各レンズ系、ミラーのコーティング及び中
央開口径、及び反射ビーム径を最適に選択することによ
り、合成効率90%程度の高い合成効率を実現すること
ができる。また、得られた合成レーザビーム16の品質
は、元の半導体レーザ光源のコヒーレンスや指向性など
の特性をほぼ維持しているため、固体レーザ媒質を励起
したときの集光性の低下を避けることができる。
【0016】なお、半導体レーザ光源としては、それぞ
れ単体の半導体レーザを使用してもよいが、多数のレー
ザビームを合成する場合には半導体レーザアレイあるい
は光ファイバを結合させた半導体レーザを用いることも
できる。
【0017】図2は、本発明によるレーザビーム合成装
置の第2実施形態を示す概略的構成図である。本実施形
態では、3個の励起用半導体レーザ光源11a、11c
及び11dを用いた例を示す。
【0018】本実施形態が図1の第1実施形態と基本的
に異なる点は、ビーム変換器21a及び21cの構成
と、それらビーム変換器21a及び21cから出力する
レーザビーム22a及び22cである。本実施形態のビ
ーム変換器21aは1対の円錐ミラー201a及び20
2aで構成され、ビーム変換器21cも同様に1対の円
錐ミラー201c及び202cで構成される。なお、ミ
ラー13a、13c及び13dの構成及び配置は、第1
実施形態と同様である。
【0019】半導体レーザ光源11aから出力したレー
ザビーム14aは、円錐ミラー201aによって円盤状
に反射され、更に円錐ミラー202aによって反射され
て円環状ビーム22aに変換される。同様に、半導体レ
ーザ光源11cから出力したレーザビーム14cは、円
錐ミラー201c及び円錐ミラー202cによって反射
されて円環状ビーム22cに変換される。半導体レーザ
光源11dから出力されたレーザビーム14dは、その
ままミラー13dでミラー13cの方向へ反射される。
【0020】ミラー13dで反射したレーザビーム14
dはミラー13cの中心開口部を通過し、円環状レーザ
ビーム22cはミラー13cによって反射される。ミラ
ー13cとミラー13dとは中心軸が共通で平行配置さ
れているから、円環状レーザビーム22cとレーザビー
ム14dは空間的に分離された2つの円環状のビームと
してミラー13cによって合成される。同様に、ミラー
13aにより反射された円環状レーザビーム22aは、
ミラー13aの中央開口部を通るレーザビーム14d及
び22cの合成ビームと円環状に合成される。このよう
にして最終的に1本の円柱状ビーム14dと2本の円環
状ビーム22a及び22cとからなる合成レーザビーム
23が得られる。
【0021】各ミラーのコーティング、中央開口径、及
び反射ビーム径を最適に選択することにより、合成効率
95%程度の高い合成効率を実現することができた。第
1実施形態より高い合成効率が得られたのは、ビーム変
換器21a及び21cによって円環状のビームを生成し
たために、ミラー13a及び13cの中央開口部に起因
する合成損失が低減したからである。また、第1実施形
態と同様に、得られた合成レーザビーム23の品質は、
元の半導体レーザ光源のコヒーレンスや指向性などの特
性をほぼ維持しているため、固体レーザ媒質を励起した
ときの集光性の低下を避けることができる。
【0022】図3は、本発明によるレーザビーム合成装
置の第3実施形態を示す概略的構成図である。本実施形
態では、図1に示す第1実施形態のレーザビーム合成装
置1を3つ用意し、それぞれの合成レーザビーム16を
ビーム径変換器31a〜31cとミラー32a〜32c
を用いて更に合成する。ミラー32a〜32cは、図1
の第1実施形態のミラー13a〜13dと同様の構成を
有し、同様に配置されている。言い換えれば、本実施形
態は、図1の第1実施形態のレーザ光源をそれぞれ第1
実施形態のレーザビーム合成装置で置き換えた構成とな
っている。
【0023】ビーム合成ユニット1a〜1cは、それぞ
れビーム径変換器31a〜31cにより異なるビーム径
に調整され、上述したようにミラー32a〜32cで合
成され、最終的に多数の円環状レーザビームからなるレ
ーザビーム33に合成される。この構成により、10W
から1000W程度の広い出力幅を有する大出力固体レ
ーザを励起するための光源を、ビーム合成ユニット(1
a、1b、1c)の個数を増減するだけの簡単な設計変
更で得ることができる。
【0024】なお、第3実施形態におけるビーム合成ユ
ニットは、図1に示す第1実施形態のレーザビーム合成
装置1を用いたが、図2に示す第2実施形態のレーザビ
ーム合成装置2を用いることで更に合成効率を高めるこ
ともできる。
【0025】図4は、第2実施形態で使用されるビーム
変換器の第2例である円錐レンズの側面図である。1つ
の半導体レーザから出力された1本のレーザビーム14
は、円錐レンズ41により円環状レーザビーム42に変
換される。1つのレンズで円環状レーザビームを得るこ
とができるために、ビーム変換器の構成が簡単となり、
調整も容易になる。
【0026】図5は、第2実施形態で使用されるビーム
変換器の第3例である円錐レンズ系の側面図である。こ
のビーム変換器51は、1対の凹円錐レンズ及び凸円錐
レンズから構成される。1つの半導体レーザから出力さ
れた1本のレーザビーム14は、凹円錐レンズにより円
錐環状レーザビームに変換され、更に凸円錐レンズによ
り円環状レーザビーム52に変換される。
【0027】図6は、本発明によるレーザビーム合成装
置の第4実施形態を示す概略的構成図である。本実施形
態は、集光レンズアレイ61a〜61cと、2枚の平行
ミラー62及び65からなるファブリーペロー共振器
と、その中に配置されたコリメートレンズ63a〜63
c及びビーム変換器64a及び64bとから構成され
る。レーザビーム14dを除くレーザビーム14a〜1
4cは、レンズアレイ61a〜61cによってそれぞれ
ミラー62上に集光する。ミラー62には、それら集光
位置に開口部601a〜601cが設けられ、集光した
レーザビーム14a〜14cを通過させる。通過したレ
ーザビーム14a〜14cは、コリメートレンズ63a
〜63cによってそれぞれ平行光に変換される。
【0028】このような構成において、レーザビーム1
4a〜14dのうちレーザビーム14d以外のレーザビ
ームは、レンズアレイ61a〜61cによりミラー62
の各開口部601a〜601cにそれぞれ集光される。
そして、各開口部を通過したレーザビームは、それぞれ
コリメートレンズ63a〜63cで平行光に戻される。
一方、レーザビーム14dはファブリーペロー共振器に
対し斜めに入射する。その入射角は、ミラー65で反射
されたビームの光軸がレーザビーム14cの集光点に一
致するような角度に設定される。
【0029】こうして、ミラー62の開口部601c部
分で反射されたレーザビーム14dと、コリメートレン
ズ63cで平行光に戻されたレーザビーム14cとは合
成され、その合成ビームはビーム径変換器64bにより
ビーム径を拡大される。同様に、この拡大された合成レ
ーザビームと、コリメートレンズ63bで平行光に戻さ
れたレーザビーム14bとは合成され、その合成ビーム
はビーム径変換器64aによりビーム径を拡大される。
そして最終的には、入射するレーザビーム14a,14
b,14c,14dは多数の円環状レーザビームからな
るレーザビーム66に合成される。本実施形態では、9
0%以上のビーム合成効率が得られる。
【0030】図7は、第1実施形態によるレーザビーム
合成装置を用いた固体レーザ装置の一例を示す概略的構
成図である。この固体レーザ装置では、固体レーザ媒質
を端面から励起する構成が採用されている。レーザビー
ム合成装置1から出力された合成レーザビーム16は集
光レンズ71によって集光され、固体レーザ共振器へ入
力する。固体レーザ共振器は、励起ビームを透過しレー
ザ発振光を反射するダイクロイック鏡72と、出力ミラ
ー73と、それらに挟まれた固体レーザ媒質74と、か
らなる。このような構成において、合成レーザビーム1
6を集光レンズ71を用いて固体レーザ媒質74の端面
から入射させると、出力鏡73を透過してレーザ発振光
75が出力される。
【0031】図8は、第1実施形態によるレーザビーム
合成装置を用いた固体レーザ装置の他の例を示す概略的
構成図である。この固体レーザ装置では、固体レーザ媒
質を側面から励起する構成が採用されている。この装置
は、合成レーザビーム16を集光レンズ71を介して固
体レーザ媒質74の側面に集光照射し、レーザ発振光7
5を得るものである。
【0032】なお、図7及び図8の固体レーザ装置にお
けるレーザビーム合成装置は、図2、図3及び図6にそ
れぞれ示す実施形態でもよいことは明白である。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、複数のレーザ光源から
出射された指向性レーザビームを円環状に合成するの
で、レーザビーム合成効率を高めることができる。特
に、レーザ光源の段数を増やすだけで、所望出力の励起
用レーザビームを得ることができる。また、この合成レ
ーザビームを用いて固体レーザの励起を行うと、高効率
で高出力な固体レーザ装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるレーザビーム合成装置の第1実施
形態を示す概略的構成図である。
【図2】本発明によるレーザビーム合成装置の第2実施
形態を示す概略的構成図である。
【図3】本発明によるレーザビーム合成装置の第3実施
形態を示す概略的構成図である。
【図4】円錐レンズからなるビーム変換器の一例を示す
側面図である。
【図5】凹凸円錐レンズからなるビーム変換器の他の例
を示す側面図である。
【図6】本発明によるレーザビーム合成装置の第4実施
形態を示す概略的構成図である。
【図7】第1実施形態を用いた固体レーザ装置の一例を
示す概略的構成図である。
【図8】第1実施形態を用いた固体レーザ装置の他の例
を示す構成図である。
【符号の説明】
11a〜11d 半導体レーザ光源 12a〜12c ビーム径変換器 13a〜13d ミラー 14a〜14d レーザビーム 16 合成レーザビーム 21a、21c ビーム変換器 22a、22c 円環状レーザビーム 23 合成レーザビーム

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のレーザビームを合成する装置にお
    いて、 第1レーザビームを一定方向に反射する第1反射手段
    と、 前記第1レーザビームを除く他のレーザビームをレーザ
    ビーム毎に径が順次変化する円環状レーザビームに変換
    するビーム変換手段と、 前記径が小さい円環状レーザビームが前記径の大きい円
    環状レーザビームによって順次取り巻かれるように、前
    記複数の円環状レーザビームを前記第1レーザビームに
    順次合成するビーム合成手段と、 からなることを特徴とするレーザビーム合成装置。
  2. 【請求項2】 前記ビーム変換手段は、 円錐頂点を光軸として入射する前記レーザビームを円錐
    の外側面によって反射する第1円錐ミラーと、 前記第1円錐ミラーの反射光を円錐の内側面によって反
    射し前記円環状レーザビームを出射する第2円錐ミラー
    と、 からなることを特徴とする請求項1記載のレーザビーム
    合成装置。
  3. 【請求項3】 前記ビーム変換手段は円錐レンズからな
    ることを特徴とする請求項1記載のレーザビーム合成装
    置。
  4. 【請求項4】 前記ビーム変換手段は、前記レーザビー
    ムを円錐頂点を光軸として入射する第1円錐端面と前記
    円環状レーザビームを出射する第2円錐端面とを有する
    円錐レンズからなることを特徴とする請求項3記載のレ
    ーザビーム合成装置。
  5. 【請求項5】 前記ビーム変換手段は、 前記レーザビームが直角に入射する第1平面端と、円錐
    頂点を光軸として円錐環状レーザビームを出射する凹円
    錐端と、からなる第1円錐レンズと、 前記円錐環状レーザビームが円錐頂点を光軸として入射
    する凸円錐端と、前記円環状レーザビームを出射する第
    2平面端と、からなる第2円錐レンズと、 からなることを特徴とする請求項3記載のレーザビーム
    合成装置。
  6. 【請求項6】 前記ビーム合成手段は前記他のレーザビ
    ームの各々に対応した複数段のミラーからなり、前記ミ
    ラーの各々は下段の合成レーザビームの径に一致する開
    口部が設けられ、前記下段の合成レーザビームの光軸と
    一致するように、前記ミラーに対応するレーザビームを
    円環状に反射して前記下段の合成レーザビームと合成す
    る、ことを特徴とする請求項1記載のレーザービーム合
    成装置。
  7. 【請求項7】 複数のレーザビームを合成する装置にお
    いて、 第1レーザビームを一定方向に反射する第1反射手段
    と、 前記第1レーザビームを除く他のレーザビームをレーザ
    ビーム毎に径が順次変化するレーザビームに変換するビ
    ーム径変換手段と、 前記他のレーザビームの各々に対応し、径がレーザビー
    ム毎に順次変化する開口部をそれぞれ有する複数段のミ
    ラーと、 からなり、 前記各ミラーの前記開口部は下段の合成レーザビームの
    径に一致し、前記下段の合成レーザビームの光軸と一致
    するように前記ミラーに対応するレーザビームを円環状
    に反射して前記下段の合成レーザビームと合成すること
    により、前記径が小さい円環状レーザビームが前記径の
    大きい円環状レーザビームによって順次取り巻かれるよ
    うに複数の円環状レーザビームを前記第1レーザビーム
    に順次合成する、ことを特徴とするレーザビーム合成装
    置。
  8. 【請求項8】 前記ビーム径変換手段は、複数のレンズ
    径からなることを特徴とする請求項7記載のレーザビー
    ム合成装置。
  9. 【請求項9】 複数のレーザビームを合成する装置にお
    いて、 前記複数のレーザビームを一定方向に反射する第1反射
    手段と、 前記第1反射手段と平行に配置され、前記第1レーザビ
    ームを除く他のレーザビームをそれぞれ通過させる多段
    の開口部が設けられた第2反射手段と、 前記第1及び第2反射手段の間に設けられ、前記第2反
    射手段を通過した前記他のレーザビームと、前記第1反
    射手段によって反射され更に前記開口部を有する前記第
    2反射手段によって反射された下段のレーザビームと、
    を円環状に合成するビーム合成手段と、 前記ビーム合成手段の出力レーザビームの径を拡大する
    ビーム径拡大手段と、 からなることを特徴とするレーザビーム合成装置。
  10. 【請求項10】 前記第2反射手段に設けられた多段の
    開口部は、前記他のレーザビームの各々を集光する複数
    の第1集光レンズの焦点位置に設けられていることを特
    徴とする請求項9記載のレーザビーム合成装置。
  11. 【請求項11】 前記第1集光レンズにより集光され前
    記第2反射手段の前記開口部を通過した前記他のレーザ
    ビームの各々を平行光に変換する複数のコリメートレン
    ズを更に有することを特徴とする請求項10記載のレー
    ザビーム合成装置。
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Cited By (4)

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GB2402230A (en) * 2003-05-30 2004-12-01 Xsil Technology Ltd Focusing laser beams to different points
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